Rev Author Line No. Line
2849 kaklik 1 \documentclass[12pt,a4paper,twoside]{article}
2 \usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[czech]{babel}
5 \usepackage{graphicx}
2852 pomiceva 6 \usepackage{fancyhdr}
7 \usepackage{fullpage}
8 \usepackage[top=5cm, bottom=10cm, left=2.5cm, right=2.5cm]{geometry}
9 \textwidth 16cm \textheight 20cm
10 \topmargin 0cm
2849 kaklik 11 \oddsidemargin 0cm
2852 pomiceva 12 \pagestyle{fancy}
13 \addtolength{\headsep}{30 pt}
14 \addtolength{\footskip}{50 pt}
15  
16 \fancyfoot{}
3027 kaklik 17 \fancyfoot[L]
3033 kaklik 18 {\raisebox{-0.75cm}{\includegraphics[width=1.5cm]{img/datamatrix.png}} \begin{tabular}{cc}
3028 kaklik 19 pomiceva & jichapav \\
20 kakonjak & poskozby\\
21 hanuson1 & \\
3027 kaklik 22 \end{tabular}
23 }
2852 pomiceva 24 \fancyfoot[R] {\thepage}
25  
26  
2849 kaklik 27 \begin{document}
2852 pomiceva 28 \title{Technická zpráva - Automatický vypouštěč meteobalónů}
29 \author{Eva Pomíchalová\\ Jakub Kákona\\ Ondřej Hanus\\ Pavel Jícha\\ Zbyněk Poskočil}
2849 kaklik 30 \maketitle
31  
2852 pomiceva 32 \thispagestyle{fancy}
33 \newpage
2849 kaklik 34 \begin{abstract}
2852 pomiceva 35 \input{abstrakt.txt}
36  
2849 kaklik 37 \end{abstract}
2852 pomiceva 38 \newpage
2849 kaklik 39  
3032 pomiceva 40 \begin{figure} [htbp]
41 \begin{center}
42 \includegraphics [width=80mm] {box.JPG}
43 \end{center}
44 \end{figure}
2849 kaklik 45  
46 \tableofcontents
47 \newpage
48  
3025 kaklik 49 \section{Automaticky vypouštěný sondážní balon}
2849 kaklik 50  
3026 kaklik 51 \subsection{Cíle konstrukce systému}
3025 kaklik 52  
3026 kaklik 53 \subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů}
54  
55 \begin{figure}
56 \centering
3033 kaklik 57 \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSite.png}
3026 kaklik 58 \caption{Schéma celé sítě}
59 \label{fig:blokcelasit}
60 \end{figure}
61  
2849 kaklik 62 Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě
3004 kaklik 63 \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:rmds}{radiových detektorů meteorů}, případně pak i
64 její vizuální varianty (video pozorování a bolidové kamery).
2849 kaklik 65  
3033 kaklik 66 Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoritu v
2849 kaklik 67 atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
3033 kaklik 68 tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoritu na zemský povrch.
2849 kaklik 69  
70 Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou
71 bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění
72 balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy
73 meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.
74  
75 Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice
76 (balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez
77 zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení
78 schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických
79 meteorologických
80 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde}{radiosond}.
81  
3026 kaklik 82 \subsubsection{Automatické vypouštění meteorologických radiosond}
2849 kaklik 83  
3033 kaklik 84 Meteorologické sondy jsou dnes prakticky výhradně vypouštěny ručně nafouknutím balonu vodíkem, jeho uvázáním na na sondu a vypuštěním. Již dříve však bylo učiněno několik pokusů o automatizaci tohoto procesu \cite{automacic_balloon_launcher}. Avšak zatím žádný nedosáhl praktického nasazení. Což je pravděpodobně způsobeno komplikovaností procesu a zajištěním spolehlivosti tohoto řešení. Náročnost úlohy se podstatně zjednodušuje v případě, že vypouštěcí systém bude konstruován na jednorázové použití, jako je tomu v případě aplikace v síti pro detekci dopadu meteorů.
3025 kaklik 85  
86 \section{Pozemní vypouštěcí box}
87  
3004 kaklik 88 Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
89 techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
2849 kaklik 90 konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
91 pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.
92  
3027 kaklik 93 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 94  
3005 poskozby 95 Většina řídící elektroniky je složena z modulů
2849 kaklik 96 \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}
97  
3004 kaklik 98 Komunikace s řídícím systémem sítě stanic je aktuálně řešena terminálem na RS232 tvořeného modulem \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/RS232SINGLE01A}{RS232SINGLE01A} respektive jeho USB variantou \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/USB232R01B}{USB232R01B}. Další možnosti připojení jsou následující:
2849 kaklik 99  
100 \begin{itemize}
3009 kaklik 101 \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A}
102 \item Konvertor z TTL na sběrnici CAN \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B}
103 \item Konvertor z TTL na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A}
104 \item GSM výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
105 \item USB - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu.
2849 kaklik 106 \end{itemize}
107  
3004 kaklik 108 Jako hlavní řídící MCU této jednotky byl vybrán ARM STM32F103R8T v modulu
3009 kaklik 109 \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.
2849 kaklik 110  
3027 kaklik 111 \subsection{Elektronika pozemní stanice}
2849 kaklik 112  
3027 kaklik 113 \subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}
114  
3004 kaklik 115 Ve vývojové fázi funkčního vzoru je napájení systému řešeno PC ATX zdrojem, ze kterého jsou využity +5 V a +12 V větve. Toto řešení se neukázalo jako příliš optimální vzhledem ke špatné spolehlivosti PC zdrojů při provozu s nízkou zátěží v dalším prototypu bude proto ATX zdroj pravděpodobně nahrazen jiným spínaným zdrojem určeným pro tento druh aplikace.
2849 kaklik 116  
3028 kaklik 117 Výhodným řešením by také mohlo být využití fotovoltaických článků, které by v případě umístění na odsuvné střeše bylo možné využít k detekci zakrytí střechy.
3004 kaklik 118  
3028 kaklik 119  
3025 kaklik 120 \subsection{Mechanická konstrukce}
3004 kaklik 121  
3033 kaklik 122 <<<<<<< .mine
123 Box tvoří plastová krabice o rozměrech 57x39x42 cm, zakoupená v IKEI a bočnice a střecha z polykarbonátu. Výsledné uspořádání připomíná psí boudu a bylo takto navrženo za účelem snadného otevírání střechy.
124 Bočnice mají tvar obdélníku, na kterém je posazen přesahující rovnoramenný trojúhelník. Obdélníková část je přichycena ke krabici a na trojúhelníkové části je posazena střecha, která je tvořena ze dvou desek. Tyto střešní desky, které se kvůli dešti navzájem trochu překrývají, jsou uvnitř ve vrcholu střechy spojeny páskou. Při přetavení pásky rezistorem, sjedou samovolně střešní desky po bočnicích na zem. Celý systém je znázorněn na obrázku.
125 =======
3032 pomiceva 126 Box tvoří plastová krabice o rozměrech 57x39x42 cm, zakoupená v obchodním řetězci IKEA. Bočnice a střecha jsou vyřezány z dutinkového polykarbonátu (menší zátěž, dostatečně pevný). Výsledné uspořádání je vidět na obrázku \ref{fig:box} a bylo takto navrženo za účelem snadného otevírání střechy.
127  
3031 pomiceva 128 Bočnice mají tvar obdélníku, na kterém je posazen přesahující rovnoramenný trojúhelník. Obdélníková část je přichycena ke krabici a na trojúhelníkové části je posazena střecha, která je tvořena ze dvou desek. Tyto střešní desky, které se z důvodu vodotěsnosti navzájem překrývají, jsou uvnitř ve vrcholu střechy spojeny páskou. Při přetavení pásky rezistorem, se spustí vlivem gravitační síly po bočnicích na zem.
3033 kaklik 129 >>>>>>> .r3032
3004 kaklik 130  
3025 kaklik 131 \subsubsection{Akční členy}
3004 kaklik 132  
133 Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální
134 spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s
2852 pomiceva 135 přepalovacími PE pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha
3005 poskozby 136 přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů
3004 kaklik 137 je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B}
2849 kaklik 138  
3009 kaklik 139 Dále se nám podařilo sestrojit prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Tento pokus nejlépe ilustruje toto
140  
141 \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{video}.
142  
143 U tohoto prototypu bylo zjištěno, že doba přepalování je poměrně dlouhá, což není vhodné. Jedním ze záměrů zhotovitele bylo nezničit odpor, což pravděpodobně nebude možné, aby doba spouštění nebyla příliš dlouhá.
3025 kaklik 144  
3009 kaklik 145 \begin{figure}[hbtp]
146 \centering
3025 kaklik 147 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
148 \caption{Prototyp pojišťovacího mechanismu}
3009 kaklik 149 \label{fig:odpalovac}
150 \end{figure}
151  
3033 kaklik 152 V produkční verzi by mela být kosntrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť.
3025 kaklik 153  
154 Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond.
3009 kaklik 155  
3033 kaklik 156 <<<<<<< .mine
157 Jiná možnost otevření střechy, je použít panty. Tyto panty by, držely střešní desky v zavřené poloze a po přepálení pásky rezistorem, by se tyto desky vyklopily do stran, jak je znázorněno na obrázku. Pohyb, který by střešní desky musely vykonat, by byl zajištěn pružinami. Nejvhodnější řešení by bylo použít zkrutnou pružinu, u každého pantu.
158 =======
3032 pomiceva 159 Dalším možným řešením otevírání střechy jsou panty. Tyto panty by držely střešní desky v zavřené poloze a po přepálení pásky rezistorem by se tyto desky vyklopily do stran, jak je znázorněno na obrázku \ref{fig:DOPLNIT}. Pohyb, který by střešní desky musely vykonat, by byl zajištěn pružinami. Nejvhodnějším řešením je použití zkrutné pružinu u každého pantu.
3033 kaklik 160 >>>>>>> .r3032
3024 kaklik 161  
3025 kaklik 162 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 163  
3032 pomiceva 164 Jako uzavírací a vypouštěcí systém balónu je použito odporové svařování. Toto svařování je umístěno v lisovacím mechanismu, který má za úkol stisknout nohavici balónu, jež přivádí nosný plyn do balónu. V poslední fázi činnosti tohoto mechanismu je nohavice příčně přetavena. Tím dojde k uzavření přívodu do balónu a zároveň k odpoutání balónu od uzavíracího systému. K uvolnění balónu je potřeba dostatečný vztlak, jenž přetrhne natavený materiál a uzavřený balón pak začne stoupat.
165  
166 Lis je tvořen pohyblivou přítlačnou plochou a pevnou zarážkou s odporovým drátem. Přítlačná plocha je schopna posuvného pohybu po kolejnicích s přírazem k pevné zarážce. O přítlak se starají dvě pružiny umístěné na kolejnicích za plošinou, jak je vidět na obrázku \ref{fig:DOPLNIT}.
167  
3024 kaklik 168 Pro snadnější rozevírání lisu a jeho spuštění je použit naviják, který přitahuje přítlačnou plošinu. Po dostatečném rozevření lisu, je naviják zajištěn páskou, která je vedena přes rezistor. Lis je aktivován tak, že rezistor přetaví pásku, zajišťující naviják. Naviják se uvolní a pružiny sevřou lis.
169  
3032 pomiceva 170 Na pevné zarážce je natažen odporový drát, který má za úkol přetavit nohavici stisknutou lisem. Aby nedošlo k příliš rychlému přetavení nohavice, je přes odporový drát přetažen pauzovací papír. Pro lepší účinnost systému je pauzovacím papírem potažena i přítlačná plošina. Pauzovací papír se postará o lepší rozložení tepla a zároveň brání přitavení nohavice k lisu.
171  
172 Pro správnou funkci lisu je důležitá poloha, ve které doléhá přítlačná plošina k zarážce. Přítlačná plošina musí doléhat tak, aby její horní hrana byla v zákrytu s horní hranou odporového drátu. Pokud by plošina byla posunuta výše, došlo by sice k přetavení, ale balón by se nedokázal vlastní silou odpoutat od systému, protože by byl stále držen lisem. Pokud by plošina byla posunuta níže, nedošlo by k správnému uzavření a odpoutání balónu. Při správném nastavení plošina doléhá přesně na hraně odporového drátu, dojde k uzavření balónu a jeho následnému odpoutání. Správné nastavení je znázorněno na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.
173  
3025 kaklik 174 \begin{figure}[hbtp]
175 \centering
176 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
177 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
178 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
179 \end{figure}
3024 kaklik 180  
3027 kaklik 181 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
182  
3032 pomiceva 183 Pneumatika napouštěče balónu řeší problém dávkování nosného plynu do balónu. Pro experimenty s funkčním vzorem přístroje bylo jako nosný plyn vybráno helium (bezpečný inertní plyn).
3027 kaklik 184  
185 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
186  
187 \begin{enumerate}
188 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
189 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
190 \end{enumerate}
191  
192 \paragraph{Tlaková nádoba}
193  
3032 pomiceva 194 Pro první případ uvažující jednorázovou plynovou náplň byla vybrána tlaková nádoba zobrazena na obrázku \ref{fig:helium}. Její původní plánované využití je pro miniautogeny a je plněna tlakem 100 bar. Výhodou je výstupní šroubení M10x1 a uzavírání tlačným kuželovým ventilem, který by mělo být možné uvolňovat šroubovacím mechanismem. Například s pružně uloženým trnem.
3027 kaklik 195  
196 \begin{figure}
197 \centering
198 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
199 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
200 \label{fig:helium}
201 \end{figure}
202  
3032 pomiceva 203 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}.
3027 kaklik 204  
205 \begin{figure}
206 \centering
207 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
208 \caption{Redukční ventil}
209 \label{fig:ventil_autogen}
210 \end{figure}
211  
212 Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
213  
3032 pomiceva 214 Pro konstrukci prototypu napouštěče balónu bylo potřeba opakovaně experimentovat s procesem napouštění a problém opakovaného naplnění plynové kartuše a otevírání kuželového ventilu se nepodařilo z časových důvodů vhodně vyřešit.
3027 kaklik 215  
3032 pomiceva 216 Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík.
3027 kaklik 217  
218 \begin{figure}
219 \centering
220 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
221 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 222 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 223 \end{figure}
224  
225 \begin{figure}
226 \centering
227 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
228 \caption{Redukční ventil na vodík - tento ventil byl pořízen s očekáváním lepších parametrů, než ventil kyslíkový, má však ale levý závit. (Jako všechny ventily pro hořlavé plyny splňující normu)}
229 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
230 \end{figure}
231  
232 \begin{figure}
233 \centering
234 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
235 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 236 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 237 \end{figure}
238  
239  
3032 pomiceva 240 Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem.
3027 kaklik 241  
242 \begin{figure}
243 \centering
244 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
245 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
246 \label{fig:elmag_ventil}
247 \end{figure}
248  
3032 pomiceva 249 Toto uspořádání má značnou nevýhodu. Helium je pod stálým tlakem ve značném objemu aparatury. Vlivem netěsností a difuze skrz materiály s nízkou hustotou, jako jsou například hadice, nebo pryžová těsnění z ní tak postupně uniká.
3027 kaklik 250  
3032 pomiceva 251 Toto chování bylo demonstrováno při zkouškách prototypu natlakováním asi 1m dlouhé hadice s průměrem 6 mm přes redukční ventil na jejím druhém konci pak byl připojený manometr, na kterém bylo možné sledovat klesání tlaku v hadici. Tlak z původních 0,4 MPa klesl během několika desítek minut na 0,2 MPa. Dále přes noc klesl až k nule. Hadice byla k regulačnímu ventilu a manometru připojena kvalitními nástrčnými šroubeními pro technické plyny se závity těsněnými teflonovou páskou.
3027 kaklik 252  
3032 pomiceva 253 Je tedy zřejmé, že systém se stále otevřenou tlakovou lahví a regulačním ventilem nemůže být použit v produkční verzi zařízení, neboť nelze zaručit trvanlivost náplně v tlakové nádobě po delší dobu.
3027 kaklik 254  
255  
3026 kaklik 256 \subsection{Diagnostika stavu systému}
257  
258 \begin{itemize}
259 \item
260 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
261 \item
262 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
263 \item
264 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením víka a
265 podobně)
266 \end{itemize}
267  
268 \subsubsection{Meteorologická data}
269  
270 Základní meteorologické veličiny nutné pro rozhodnutí o startu jsou snímány lokálně (teplota, tlak, relativní vlhkost, směr rychlost větru) jsou snímány meteostanicí \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:aws}{AWS01B} a lokálně zaznamenáván společně s údaji z \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A} (pozice stanice a přesný čas) logu a reportu o průběhu startu.
271  
272  
3025 kaklik 273 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 274 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 275  
3025 kaklik 276 \subsubsection{Real-time operační systém}
3005 poskozby 277 Pro ovládání celého systému byl zvolen real-time operační systém (RTOS). Ten byl zvolen především pro zjednušení programování vypouštěče, konkrétně nastavování periférií procesoru a řízení vícevláknové aplikace na něm běžící.\\
3032 pomiceva 278 Jako RTOS pro tuto aplikaci tak byl zvolen ChibiOS, který splňuje standardní požadavky na RTOS a navíc s ním byly v týmu zkušenosti při programování jiných aplikací pod procesory ARM a ovládání modulů \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}.
3009 kaklik 279  
3025 kaklik 280 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 281  
3032 pomiceva 282 Aplikaci pro ovládání odpalování je možné rozdělit na čtyři funkční bloky, které jsou realizovány pomocí vláken. Funkční diagram je zobrazen na obrázku \ref{fig:Diag_firmware}. V následujících odstavcích bude podrobněji rozebrána funkce jednotlivých vláken aplikace.
3025 kaklik 283 \paragraph{Blikání LED}
3032 pomiceva 284 V tomto vlákně je realizované prosté blikání LED, které slouží pro signalizaci běhu programu. Mezi tím, kdy dioda svítí a nebo je vypnutá, je vlákno uspáno. Tím je vyřešeno jak časování, tak úspora prostředků procesoru.
3025 kaklik 285 \paragraph{Vypouštění}
3032 pomiceva 286 Toto vlákno se stará o kompletní sekvenci pro vypuštění balónu. Po spuštění a inicializaci proměnných spadne program do nekonečné smyčky, ve které je následně uspán a čeká na probuzení. To nastane ve třech případech:\\
3002 kaklik 287 \begin{enumerate}
288 \item Příjem příkazu pro odpal
289 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
290 \item Probuzení od časovače
291 \end{enumerate}
292 Ad. 1. Po příjmu příkazu, který zahajuje celou sekvenci odpalování se vypíše na terminál zpráva o zahájení vypouštění a sepne se pin, na kterém je připojen aktuátor, který otevírá víko krabice, ve které je balón uložen (v době vykonávání každého kroku je na terminál vypisována informace o tom, kolik procent z daného kroku je již vykonáno). Pomocí koncového spínače je snímána informace o tom, zda se střecha opravdu otevřela, pokud se tak nestalo, je celá sekvence ukončena. Pokud snímač indikuje otevření střechy, přistupuje se k dalším kroku.\\
3032 pomiceva 293 Tím je otevření ventilu a následné zahájení napouštění balónu. Tento krok není v současné době nijak zpětnovazebně snímán - je dán pouze čas, kdy je ventil otevřen. Do budoucna by bylo vhodné použíti měření průtoku k získání informace, zda je balón opravdu napuštěn daným množstvím plynu.\\
294 Třetím krokem celé sekvence je přepálení plastové pojistky, která spouští tavící lis. Po pevně dané časové prodlevě, která by měla být dostačující pro přetavení, je pomocí koncového spínače zjištěno, zda se pojistka přetavila. Pokud ano, pokračuje se posledním krokem, pokud ne, dochází opět k přerušení odpalovací sekvence a návrat do výchozího stavu.\\
295 Posledním krokem je zatavení naplněného balónu. V tomto kroku je opět nadefinován čas, po který dochází k zatavování balónu pomocí odporového drátu. Po uplynutí nadefinované doby je balón zataven, na terminál je vypsána informace o ukončení vypouštění a všechny výstupy jsou v neaktivním stavu.\\
3002 kaklik 296 Ad. 2. V případě příjmu zprávy, která přikazuje ukončení procesu odpalování, se deaktivují výstupy aktivní během vypouštění a uživatel je informován o úspěšném přerušení celé sekvence.\\
3032 pomiceva 297 Ad. 3. Pro přesné časování během celého procesu odpalování je využito funkce časovače. Ten se v každém kroku odpalování sepne na určitou dobu, která je celočíselným násobkem celkové doby, jež se čeká v daném kroku. Tento postup byl zvolen z toho důvodu, aby mohla být průběžně aktualizována zpráva pro uživatele vyjadřující čas, který zbývá do ukončení daného úkolu.
3004 kaklik 298  
3025 kaklik 299 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 300  
3032 pomiceva 301 Pro komunikaci s uživatelem je využito sériové linky. Ta se využívá jak pro informování uživatele o aktuálním stavu programu, tak zároveň k příjmu příkazů od uživatele. Celý algoritmus příjmu příkazu spočívá ve vyčítání znaků zadaných uživatelem znak za znakem až do té chvíle, kdy je stisknut ENTER a nebo je překročena maximální délka příkazu. Poté se buď zadaný příkaz dekóduje a následně provede a nebo je vypsána informace, že příkaz nebyl rozeznán.
3004 kaklik 302  
3025 kaklik 303 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 304  
3002 kaklik 305 Posledním vláknem využívaném ve firmwaru vypouštěče je vlákno, které se stará o příjem a dekódování NMEA zprávy posílané po sériové lince z GPS modulu
3025 kaklik 306 \cite{GPS_ublox}. Každou vteřinu je vyčítána NMEA zpráva a z ní je vybrána GPRMC zpráva, ze které je následně získána informace o aktuálním čase, datu a poloze stanice. Tato informace slouží jednak pro přesné logování událostí a zároveň v budoucnu pro snadné lokalizování vypouštěcí stanice.
307  
3026 kaklik 308 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
309  
3005 poskozby 310 Při spuštění terminálu se po resetu programu procesoru vypíše úvodní zpráva s nápovědou, na kterých výstupních pinech procesoru jsou připojeny jednotlivé akční členy. Poté program přechází do pohotovostního režimu a čeká na příkaz od uživatele. Tyto příkazy jsou:
3004 kaklik 311  
3002 kaklik 312 \begin{enumerate}
313 \item odpal
314 \item zrus (nebo písmeno "s")
315 \item help
316 \item check
317 \end{enumerate}
3004 kaklik 318  
3005 poskozby 319 Příkaz \textbf{odpal} spustí vypouštěcí sekvenci probuzením daného vlákna pro vypouštění. Příkaz \textbf{zrus} zastaví vypouštěcí sekvenci, pokud byla zahájena a informuje o tom výpisem o ukončení vypouštění. Zároveň jde vypouštění zrušit okamžitě stisknutím "s" bez nutnosti potvrzovat příkaz enterem. Příkaz \textbf{help} vypíše stejnou úvodní zprávu jako po resetu programu. Poslední příkaz \textbf{check}, lze použít pro kontrolu stavu vypouštěče před začátkem vypouštění. Po zadání tohoto příkazu jsou na terminál vypsány informace o aktuálních stavech použitých senzorů. Lze tak například zkontrolovat, že střecha není zajištěna, nebo že je lis již spuštěn.
2849 kaklik 320  
3002 kaklik 321 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 322 \begin{center}
3004 kaklik 323 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 324 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 325 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 326 \end{center}
3002 kaklik 327 \end{figure}
328  
329  
3008 kaklik 330 \begin{figure}
3006 kaklik 331 \begin{center}
332 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 333 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
334 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 335 \end{center}
2852 pomiceva 336 \end{figure}
2849 kaklik 337  
338  
3025 kaklik 339 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 340  
3032 pomiceva 341 Hlavním úkolem meteorologické sondy je v případě použití systému ke zpřesnění dráhy dopadu meteoru změření směrů a rychlostí větru. Z tohoto hlediska jde proto o meteorologickou sondu označovanou jako \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Rawinsonde}{Rawinsonde}.
3028 kaklik 342  
2849 kaklik 343 Neletový prototyp sondy bude vyvinut za použití modulů stavebnice
344 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
345  
346 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
347 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
3032 pomiceva 348 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}.
2849 kaklik 349  
3027 kaklik 350 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 351  
352 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke
353 zpoždění v důsledku čekání na fix.
354  
355 \paragraph{Komunikace (Telemetrické údaje)}
356  
357 \begin{itemize}
358 \item
359 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
360 \item
361 GPS údaje 10Hz, textový výstup
362 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
363 \item
364 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
365 \item
3032 pomiceva 366 Radio maják a akustický maják
2849 kaklik 367 \item
368 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
369 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
370 \item
371 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
372 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
373 \end{itemize}
374 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách.
375 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}}
376  
377 \paragraph{Napájení sondy během letu}
378  
379 \begin{itemize}
380 \item
381 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
382 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C)
383 \item
384 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
385 \item
386 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
387 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
388 \item
389 Ideální by bylo použití
390 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
391 \end{itemize}
392 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
393 předehřátí sondy při startu.
394  
3032 pomiceva 395 Komunikace a napájení za letu nebylo v rámci této fáze projektu finálně vyřešeno.
396  
2849 kaklik 397 \hyperdef{}{konstrukce}{\paragraph{Konstrukce}\label{konstrukce}}
398  
399 \begin{itemize}
400 \item
401 Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel
3032 pomiceva 402 (životnost v zabaleném stavu - pryž časem degraduje)
2849 kaklik 403 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}}
404 \item
405 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
406 \item
407 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
3032 pomiceva 408 ekologičtější. Další možností byl vodík, který lze vyrábět chemicky přímo během
409 vypuštění sondy.
2849 kaklik 410 \item
411 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
412 personální)
413 \end{itemize}
414 \paragraph{Firmware}
415  
416 \begin{itemize}
417 \item
418 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
419 \end{itemize}
420  
3032 pomiceva 421 Toto řešení bylo zavrženo jako nevhodné z důvodu malé šance nalezení a návratu gondoly. Data bude nutné přenášet online na zem.
422  
3008 kaklik 423 \begin{figure}
3006 kaklik 424 \begin{center}
425 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 426 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
427 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 428 \end{center}
2852 pomiceva 429 \end{figure}
2849 kaklik 430  
3025 kaklik 431 \subsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 432  
433 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
434 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
435  
436 \paragraph{Kategorie balónu}
437  
438 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 439 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
440 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 441 naplnění/roztažení.
442  
3005 poskozby 443 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 444  
445 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
446 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
447 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
448 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
449 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
450 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
451 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
452 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
453 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
454 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
455  
456 \paragraph{Materiály}
457  
458 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
459 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
460 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
461 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 462 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 463 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 464 sílu než 230~N.
2849 kaklik 465  
466 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
467  
468 Pro dostup nejsou omezení.
469  
470 \paragraph{Místo vypuštění}
471  
472 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
473 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
474 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
475 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
476 problematický, nedoporučuje se.
477  
478 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
479  
480 \begin{itemize}
481 \item
3032 pomiceva 482 Navržení bezpečné sondy, která splní požadavky ÚCL pro kategorii B2.
483 \item Řízené stoupání a aktivní zabránění vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 484 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 485 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 486 \end{itemize}
487  
3032 pomiceva 488 Bylo zvoleno první řešení, a to navržení bezpečné sondy spadající do kategorie B2. Finální systém bude muset být předložen k posouzení komisi na ÚCL.
489  
3025 kaklik 490 \subsection{Meteorologický balón}
3033 kaklik 491  
3028 kaklik 492 Balón pro meteorologickou sondu je samostatný problém neboť sonda stoupá během letu do výšek až 30 km a dochází tak k namáhání balónu rychlou změnou teploty a nízkými teplotami (-60 $^\circ$). Zárověň se přibližně 13x zvětší objem balónu.
2849 kaklik 493  
3032 pomiceva 494 Nosné meteorologické balóny jsou proto obvykle vyráběny z latexu. Jsou používány jako tlakové, což znamená, že nosný plyn je uvnitř pod stálým tlakem mírně větším, než je tlak okolního prostředí. Důvod jejich používání je pravděpodobně jednak historický a také důsledkem faktu, že jiné meteorologické balony se běžně komerčně nevyrábějí. Jejich rozměry a parametry jsou však pro toto využití nevyhovující, protože jejich hmotnosti se pohybují v rozsahu stovek gramů až jednotek kilogramů, přičemž nosnost je přibližně srovnatelná s jejich hmotností.
3028 kaklik 495  
3025 kaklik 496 \subsubsection{Svařování balónu}
497  
3028 kaklik 498  
499  
500  
3025 kaklik 501 \subsubsection{Evči zpětný ventil}
502 Při jednom pokusu (původně neúspěšném) o nastavení nohavice pro nafukování a zatavování balónu se nám podařilo přijít na velice zajímavý, překvapivě jednoduchý a efektivní způsob řešení zpětného ventilu \ref{fig:ZpetVentilFoto}. Zatavovací mechanismus bude použit v každém případě, ale jako pojistku lze použít tento ventil.
503  
504 V podstatě jde o přerušení nohavice a následné napojení „nasunutím“ jedné části do druhé (obrázek \ref{fig:ZpetVentil}). Pokud nasuneme spodní část do vrchní (připojené k balónu) a upevníme například pomocí lepicí pásky. Budeme schopni balón bez problémů napustit. Ovšem při pokusu balón vypustit zjistíme, že je to téměř nemožné. Ta část nohavice, které je nasunutá uvnitř, se totiž vlivem opačného tlaku vzduchu (nebo jiného plynu) zdeformuje a zablokuje průchod. Tímto způsobem můžeme velice levně, jednoduše a efektivně vytvořit zpětný ventil, který by měl být pro naše účely naprosto dostačující.
505  
506 \begin{figure}
507 \centering
508 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
509 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
510 \label{fig:ZpetVentilFoto}
511 \end{figure}
512  
513 \begin{figure}
514 \centering
515 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
516 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
517 \label{fig:ZpetVentil}
518 \end{figure}
519  
520  
521  
522 \section{Řídící systém sítě}
523  
524 \subsection{Zpracování dostupných dat}
525  
2849 kaklik 526 \begin{itemize}
527 \item
528 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
529 \item
530 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
531 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
532 \item
3005 poskozby 533 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 534 \item
3005 poskozby 535 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 536 \end{itemize}
3025 kaklik 537 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 538  
539 Použití nějakého skriptovacího jazyka pro popis procesu
540 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}?
541  
542 \begin{itemize}
543 \item
544 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
545 \item
546 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
547 stanicí.
548 \item
549 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
550 \end{itemize}
3025 kaklik 551 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 552  
553 \begin{itemize}
554 \item
3005 poskozby 555 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 556 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
557 \end{itemize}
558  
3009 kaklik 559  
2852 pomiceva 560 Baterie a jejich odolnost vůči mrazu - navrhováno několik variant, v současné době ještě nemáme vybránu jednu konkrétní.
3025 kaklik 561  
562 Dostupnost materiálů - aktuálně potíže s dopravou tlakových lahví s héliem.
2852 pomiceva 563 Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 564  
565  
3027 kaklik 566 \section{Dosažené výsledky}
3009 kaklik 567  
3028 kaklik 568 Byl vyvinut funkční vzor pozemní stanice automatického vypouštěče a demonstrován jeho fungující stav. Tento prototyp poslouží pro další experimenty a k dalšímu zdokonalení konstrukce.
3009 kaklik 569  
3027 kaklik 570 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 571  
3028 kaklik 572 V produkční verzi zařízení by bylo potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu, tak aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
573 Dále by bylo potřebné vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
574  
2852 pomiceva 575 \newpage
576  
2849 kaklik 577 \begin{thebibliography}{99}
2852 pomiceva 578 \bibitem{cement}{například síť CEMeNt}
579 \url{http://cement.fireball.sk/}
580 \bibitem{radiosondy}{radiosondy}
581 \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/}
582 \bibitem{cocom}{směrnice CoCom}
583 \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi}
584 \bibitem{moguli}{projekt Mogul}
585 \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli}
3028 kaklik 586 \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle}
587 \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/}
3002 kaklik 588 \bibitem {GPS_ublox}{UBLOX. LEA-6 series [online]. 2013 [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://www.u-blox.com/en/gps-modules/pvt-modules/lea-6-family.html}
589 \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}
3033 kaklik 590 \bibitem{automacic_balloon_launcher}{A Cost Effective Automatic Balloon Launcher}
591 \url{http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/768881-IVNrhd/native/768881.pdf}
2849 kaklik 592 \end{thebibliography}
3028 kaklik 593 \end{document}